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Utilisation de cinetiques du premier ordre en vue de caracteriser la mineralisation de quelques sols agricoles
Jean Emmanuel Delphin
To cite this version:
Jean Emmanuel Delphin. Utilisation de cinetiques du premier ordre en vue de caracteriser la mineral- isation de quelques sols agricoles. Agronomie, EDP Sciences, 1988, 8 (4), pp.289-294. �hal-02716479�
Utilisation de cinétiques du premier ordre
envue
de caractériser la minéralisation de quel-
ques sols agricoles
Jean-Emmanuel DELPHIN
Christian BOHONOS Christiane HUCK I.N.R.A., Station d’Agronomie, 28, rue de Herrlisheim, F 68021 Colmar
RÉSUMÉ Seize échantillons de sols agricoles provenant d’un réseau d’expérimentation sur la France ont été mis en incu- bation pendant 340 j à 20 °C et 80 p. 100 d’humidité équivalente. Les mesures de dégagement cumulé de C02
sont ajustées à 2 cinétiques du premier ordre :
- Cm = C (1 - exp (- kt)) sur un intervalle de 0-340 j (cinétique 1) ou de 50-340 j (cinétique 1 bis),
- Cm = CI (1 - exp (- 1 t)) + C2() - - exp (- k2 t)) sur un intervalle de 0-340 j (cinétique 2).
On suit la variation dans le temps des paramètres sur les 100 derniers jours d’incubation. La variabilité de C et k est plus élevée pour la cinétique 1 que 1 bis, avec parfois des écarts entre les valeurs obtenues. Les paramè-
tres C2et k2présentent un palier plus ou moins large dont la valeur correspond en général au C et k moyen de la cinétique 1 bis. Quel que soit le modèle utilisé, le choix des paramètres dépend de l’échelle de temps à laquelle on envisage la simulation. La liaison statistique entre k2et les teneurs en argiles des sols est faible, C2
est plus étroitement corrélé au couple matières organiques-argiles. La combinaison de ces 2 paramètres (C
200 = C2(1 - exp (- 200 kz)) est fortement corrélée au rapport MO/argiles.
Mots clés additionnels : Incubation, respirométrie, CO2.
SUMMARY Use of first-order kinetics describing the mineralization of some cultivated soils.
A mineralization study was conducted with 16 surface soils from field experiment stations in France. The soil
samples were incubated at 20 °C over 340 days. The cumulative C-C02production was fitted to two first- order kinetics :
- Cm = C (1 - exp (- kt)) on a 0-340 days incubation (kinetic 1) or on a 50-340 days incubation (kinetic 1 bis),
- Cm = C, (I - exp (- k, t)) + Cz (1 exp (- k2 t)) on a 0-340 days incubation (kinetic 2).
The variation of the kinetic parameters with time was studied over the last 100 incubation days. The variability
of C and k was higher with kinetic I than I bis and some values were different. Parameters C2 and k2 of
values of kinetic 2 had stage values generally similar to the mean C or k over the last 100 days of kinetic 1 bis.
The use of these kinetic parameters in mineralization models will depend on the time range of simulation. k,
was poorly correlated with soil clay content, the correlation between Cz and OM-clay was better. li
combination of C2and k2 (C200 = Cz (1 - exp (- 200 kz)) was closely related to the ratio OM/clay.
Additional key words : Incubation, respirometry, C02.
1. INTRODUCTION
La mesure du dégagement du gaz carbonique est une
méthode permettant de juger de l’activité microbienne
globale d’un sol. Dans le cas de la minéralisation endo-
gène, le dégagement du C02 est étroitement lié à la libération d’azote minéral. La fourniture d’azote par cette voie peut satisfaire jusqu’à 50 p. 100 des besoins des grandes cultures. La rationalisation de la fertilisa-
tion azotée nécessite une bonne connaissance des quan- tités produites et de leur libération au cours du temps.
Cela suppose la maîtrise des cinétiques de minéralisa- tion, en particulier l’élaboration de modèles de réfé-
rence sur lesquels on peut faire agir les principaux fac-
teurs du milieu.
De nombreuses études ont porté ces dernières années
sur ce point, surtout en vue de définir le potentiel
d’azote minéralisable No des sols (STANFORD &
S MITH
, 1972 ; MARY & REMY, 1979 ; DEANS2t Cll., 1986). Nous avons cherché ici, par des mesures de
CO!, à préciser les possibilités d’utilisation des cinéti- ques du premier ordre, décrivant au mieux la minérali- sation de quelques sols agricoles et à en estimer les
paramètres, en vue d’élaborer des modèles de simula- tion de la minéralisation endogène. Nous avons égale-
ment examiné les relations entre les paramètres de ces cinétiques et les caractéristiques des sols étudiés afin de
disposer de moyens d’estimation plus rapides que les méthodes d’incubation.
II. MATÉRIEL ET MÉTHODES
A. Sols étudiés
Les échantillons proviennent d’un réseau français d’essais de fertilisation du maïs conduits par l’AGPM
sur des parcelles d’agriculteurs. Le choix des sols visait
une forte diversité des caractères physico-chimiques,
en particulier au niveau des teneurs en matières organi-
ques, en argiles et en calcaire (tabl. 1).
Ces essais concernent des rotations céréalières avec un
précédent blé ou orge, les pailles étant enfouies (no! 2, 11, 14, 15) ou exportées (n°’’ 1, 4) ou maïs avec resti- tution des cannes (n’&dquo; 5, 6, 7, 9, 10, 16) ou sans restitu- tion (n°5 3, 8, 13). Des amendements organiques sous
forme de fumier (30-60 t) ont été effectués dans cer-
tains cas, 2 à 6 mois avant le prélèvement (n°’ 1, 7, 8, 15, 16). La parcelle n° 12 comporte un précédent lupin
enfoui à la sortie de l’hiver.
Les échantillons ont été prélevés dans les 20 premiers
centimètres de la couche arable au cours du printemps
1986. Ils ont été conservés sans autre traitement à 5 °C, pendant 1 à 15 j, jusqu’au début de l’incubation.
B. Incubation
Les essais d’incubation sont conduits à 20 °C sur la terre échantillonnée (comportant environ 1 kg de terre sèche) en pots cylindriques de 0,01 m2 de section, la densité apparente variant de 1 à 1,2. L’humidité est maintenue à 80 p. 100 de l’humidité équivalente par des apports réguliers d’eau. Le C02 est mesuré après piégeage, pendant 1 à 5 j selon l’avancement de l’incu-
bation, dans des coupelles contenant une solution de soude N/2. Entre 2 mesures, chaque pot est recouvert d’un sachet plastique de 2 1 en présence de 30 ml de soude N. On détermine le C02 piégé par dosage de la
soude non carbonatée en présence de thymolphtaléine après précipitation des carbonates par du chlorure de
baryum. L’expérience est conduite, selon les cas, avec
2 à 6 répétitions en début d’expérience. Les valeurs
cumulées du dégagement de C02 sont calculées en
admettant une variation linéaire entre 2 points de
mesure et après élimination des données s’écartant de
plus de 5 p. 100 de la tendance générale. Le calcul du C0
2
dégagé est effectué à partir du 25e j d’incubation afin de minimiser les répercussions d’une extraminéra- lisation possible en début d’expérience. L’ajustement
aux cinétiques du premier ordre est obtenu par la méthode des moindres carrés non linéaires (NASH,
1979).
C. Méthodes analytiques
Les méthodes utilisées ont été les suivantes :
- azote total : méthode Kjeldahl,
- carbone organique : analyseur de carbone après
calcination (servocoulomètre Eraly),
- calcaire : mesure de C02 sur analyseur de car-
bone (servocoulomètre) après attaque acide,
- fractionnements granulométriques : décantation pour les fractions les plus grossières et centrifugation
pour les autres (< 2 gm) après décarbonatation, selon
les cas, et destruction des matières organiques par le
peroxyde d’hydrogène.
III. RÉSULTATS ET DISCUSSION A. Ajustement à des cinétiques du premier ordre
Nous avons dans un premier temps ajusté les valeurs cumulées de C02 à une cinétique du premier ordre du
type :
Cm représente la quantité de carbone minéralisé (mg C
kg - 1
), C l’asymptote de la courbe (potentiel minérali-
sable théorique, mg C kg - 1) et k la constante de vitesse (j - 1).
Les valeurs des paramètres estimés varient d’un rap- port 1 à 3 selon les sols (tabl. 2), avec des coefficients de détermination très élevés (0,95-0,98). Les résidus (Cm observé - Cm estimé) ne sont cependant pas
indépendants de la durée d’incubation, ce qui laisse
supposer une liaison entre les paramètres et le temps.
Si l’on réalise les ajustements en supprimant progressi-
vement les points des 100 derniers jours d’incubation,
on peut en effet remarquer que les valeurs estimées des paramètres ne sont pas stables : C augmente avec la durée d’incubation alors que k diminue (fig. 1). Le fait d’écarter les 50 premiers jours d’incubation des points ajustés (cinétique 1 bis) réduit en général la variabilité des paramètres et donne souvent des valeurs nettement différentes (tabl. 2) ; dans certains cas pourtant (n°ç 5, 13) la variabilité demeure élevée. L’amélioration des
ajustements obtenus en éliminant les données prove- nant du tout début d’incubation a déjà été mentionnée
dans les études de No (STANFORD et al., 1974 ; MARY
& RÉVtY, 1979). On réduit ainsi les effets de débris
organiques facilement minéralisables et ceux de l’extra- minéralisation consécutive à la destruction partielle de
la biomasse microbienne lors du conditionnement des échantillons de sol avant l’expérience.
On peut également ajuster la totalité des données à
une double cinétique du premier ordre, ce qui permet de prendre en compte les 2 phases de la minéralisa- tion :
où CI et k, sont les paramètres associés à la phase rapide, C2 et k2 à la phase lente.
Cette méthode, déjà utilisée (NUSKE & RtcHZ!ER, 1981 ; DEANS et al., 1986), permet théoriquement de séparer la composante explosive de la minéralisation et
la phase plus stable qui nous intéresse. Le coefficient de détermination est amélioré (supérieur à 0,997), mais la variabilité des paramètres après retrait progressif des
derniers points n’est pas réduite. Les paramètres pré-
sentent un palier minimal (C2) ou maximal (k2) en général bien marqué (fig. 1), sauf pour le sol n° 12, et qui intervient sur un laps de temps correspondant approximativement à la demi-vie (Log (2)/k2) du terme plus lent, avec une variabilité souvent élevée en dehors du palier. Ces valeurs concordent avec C et k moyens obtenus par ajustement à une cinétique 1 bis (tabl. 2),
mis à part le sol n° 12 qui a reçu un apport organique récent et les sols présentant une variabilité élevée de C et k (n°S 5 et 13). Cependant, la valeur des critères k2
maximal et C2 minimal utilisée ici n’est appréciée qu’empiriquement, la validité de cette méthode reste à démontrer. Les paramètres du premier terme ont un comportement identique à C2et k2. Les valeurs moyen-
nes minimales de CI et maximales de k, (respective-
ment de 40 ± 20 mg kg - et de 0,005 ± 0,0025 i - 1)
peuvent être associées à un faible pool organique faci-
lement minéralisé et dont la taille est liée - bien que de manière lâche - aux apports organiques récents (fumier et pailles de maïs) ; seul le sol n° 12 se distin- gue nettement : CI = 360 mg kg - et k, = 0,013 j - 1.
La dérive dans le temps des paramètres et leur instabi- lité tiennent au fait que les modèles d’ajustement, mal- gré des R2 très élevés, ne sont qu’une représentation
sommaire des processus étudiés et que C et k des cinéti- ques 1 et 1 bis d’une part, et les paramètres des 2 ter-
mes de la cinétique 2 d’autre part, sont interdépen-
dants.
Du fait de leur variabilité dans le temps, on peut dif- ficilement envisager d’extrapoler les valeurs des para- mètres obtenues dans des conditions déterminées.
Dans la perspective d’une utilisation au champ, une
durée d’incubation à 20 °C d’environ 1 an paraît
nécessaire pour obtenir une estimation adéquate des paramètres C et k de minéralisation. Le recours à une
cinétique double se justifie surtout dans le cas de sols présentant une forte activité en début d’incubation, de plus, il n’est valable que si les paramètres sont définis
sur un laps de temps correspondant à l’échelle d’utili- sation.
B. Estimation des paramètres de minéralisation Nous avons cherché des moyens simples d’apprécia-
tion des paramètres de ces cinétiques reposant sur leurs relations statistiques avec certaines caractéristiques des sols. Pour l’estimation de C (ou de C2) nous avons
considéré que 20 p. 100 du C02produit par les sols cal-
caires provenait de la décarbonatation biologique. Ce
chiffre rend compte de l’acidification consécutive à la nitrification (FAURtE, 1977) mais aussi de la produc-
tion d’acides organiques microbiens (TARDIEUx &
T ARDIEUX
, 1975). Il s’agit d’une approximation, la
nature des carbonates (RosERT et al., 1980) et vraisem-
blablement leur taille devant également intervenir.
L’analyse statistique porte sur C2 et k2. On dispose
de peu d’études sur les relations entre les paramètres
des cinétiques et les caractéristiques des sols. Les corré-
lations négatives entre k2 et les teneurs en argiles sont
assez lâches (tabl. 3). Des relations du même type peu- vent être tirées d’études de No (STANFORD & SMITH, 1972 ; JuNta et al., 1984). Bien que les résultats présen-
tés ici ne portent pas sur la même échelle de temps, ils concordent avec les liaisons observées entre les argiles
et le coefficient de minéralisation apparent des essais de longue durée au champ (RÉtvtY & MARIN- L
AFL È CHE
, 1974). Le faible effectif de sols calcaires ne
permet pas de dégager de liaisons entre k2 et le taux de
calcaire.
Pour C2, les liaisons statistiques sont un peu plus étroites, surtout avec le modèle multiplicatif (tabl. 3).
Les teneurs en argiles et en matières organiques sont
corrélées positivement au carbone potentiellement
minéralisable déterminé par ajustement. Les relations
matières organiques-C2 sont comparables à celles obte-
nues pour No (STANFORD& SMITH, 1972). Ces régres- sions vont dans le sens des résultats de CHAUSSOD et al. (1986) montrant que les argiles contribuent à aug- menter le stock organique minéralisable tout en limi- tant sa biodégradabilité, ce qui peut constituer une
explication des corrélations positives de C2 à la fois
avec les matières organiques et les argiles.
L’estimation de k2 à partir des régressions dégagées
ici est trop imprécise pour être utilisée dans la simula- tion de la minéralisation endogène des sols. De plus, le fait de déterminer séparément des paramètres qui sont
autocorrélés peut encore accroître le risque d’erreurs
sur le calcul de la minéralisation ; des analyses statisti-
ques complémentaires ont donc porté sur une combi- naison des 2 paramètres :
C 2
00 est la minéralisation endogène théorique sur 200 j, 200 j constituant un intervalle de temps compatible
avec l’échelle à laquelle les simulations peuvent être envisagées dans une application au champ.
Comme le pouvoir minéralisateur des sols (DEL-
PHIN, 1986), C20() est étroitement lié aux teneurs en
matières organiques et en argiles, avec un effet plus marqué des argiles grossières dans le cas du modèle C organique/argiles (tabl. 3).
Le calcul de k2est obtenu à partir de l’équation (3), C
2 et C2! étant tirés d’une des régressions figurant au
tableau 3. Cette estimation de C2 et k2 a l’avantage de tenir compte de la dépendance des 2 paramètres. L’uti-
lisation d’une cinétique du premier ordre avec ces paramètres n’est cependant valable que pour une échelle de temps cadrant avec celle de leur détermina- tion expérimentale. La validité des résultats de simula- tion repose en grande partie sur la précision de l’esti-
mation statistique de C2oo. Si globalement cette estima-
tion est satisfaisante, certains points (n°S 3, 6 et 12) se singularisent (fig. 2).
IV. CONCLUSION
Les cinétiques du premier ordre utilisées pour le cal- cul de No ont été appliquées ici à l’ajustement de
mesures de dégagement de C02de sols agricoles mis en
incubation en laboratoire. Les paramètres ainsi établis
ne sont pas stables dans le temps. Une des causes de leur variabilité tient à l’extraminéralisation et à la pré-
sence de résidus organiques facilement minéralisables ; elle peut être réduite soit en éliminant les premiers points de mesure (cinétique 1 bis), soit en utilisant une
double cinétique (2). Ces 2 méthodes donnent des valeurs de paramètres en général proches, cependant, quelle que soit la méthode adoptée, leur estimation
reste dépendante de l’intervalle de temps sur lequel porte l’ajustement. De ce fait, le choix des valeurs des
paramètres pour une simulation dépendra de l’échelle
de temps à laquelle on travaille. Les liaisons statisti- ques plus ou moins étroites des paramètres avec certai-
nes caractéristiques des sols telles que teneur en matiè-
res organiques et en argiles constituent un moyen de les estimer, simple et satisfaisant quant à la précision.
La mesure du C02comme indicateur de minéralisa- tion est plus aisée et plus rapide que celle de l’azote minéral, surtout dans les études cinétiques qui nécessi-
tent un grand nombre de déterminations. Les résultats obtenus ici constituent une première étape. La conver- sion du C02 produit en azote minéralisé net est un
point important à résoudre ultérieurement, si l’on veut appliquer ces cinétiques à une estimation plus fine de la
minéralisation endogène des sols agricoles.
Reçu le 28 .septembre 1987.
Accepté le 23 février 1988.
REMERCIEMENTS
Cette étude a été menée avec l’aide de l’Association Générale des Producteurs de Maïs (AGPM).
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